交通科技管理中心
     
  首页>项目成果>重大成果  
  大相岭泥巴山深埋特长隧道关键技术研究  
  日期:2014-01-13    来源:西部项目中心  
  【字号  我要打印  
 
 

中国公路学会科学技术奖 一等奖

 

1.项目简介

依托工程大相岭泥巴山隧道为雅泸高速公路(交通运输部设计和科技双示范项目)控制性工程,长约10km。工程具有特长、大深埋、山体宽厚、地形地质复杂、气候独特几大特点,由此产生了勘察困难、工程地质问题突出、建造技术复杂、通风井深度极大、地面风机房布设和营运管理困难等一系列问题。为此,开展本项研究,并取得了四项创新性成果:

创新性成果一:建立了隧道有效利用自然风的节能模式及通风井优选方法。

①探明了特长深埋隧道自然风影响机理,建立了基于超静压差、风墙式压差和热位差三要素的隧道内自然风计算理论,提出了有效利用自然风的节能控制模式及实现方法。

②建立了特长深埋公路隧道通风井设置的智能比选模型,提出了以全寿命经济效益为目标的隧道通风井经济断面和风速优化方法,开发了高效的隧道通风设计辅助系统。

③建立了多台大功率轴流风机并联安全运行控制模式及风机布置优化方法。

创新性成果二:建立了地下风机房的设计方法。

①提出了有(无)人值守地下风机房内环境控制标准。

②建立了污染物由隧道扩散至地下风机房的计算模型,提出了地下风机房通风设计方法。

③揭示了火灾模式下地下风机房温升及烟气浓度随时间的变化规律,优化了地下风机房逃生通道布置方式,建立了地下风机房防灾设计方法。

创新性成果三:建立了基于地质构造损伤分区的深埋特长隧道勘察技术。

①提出了构造损伤概念及分区的评判标准,建立了复杂地质深埋特长隧道的地质勘察方法。

②建立了4种储水结构模型及灾害性涌水的预测方法,提出了岩爆预测的“岩石变形能潜势指标法”。

创新性成果四:开发了深埋特长隧道及有轨长大陡坡斜井的建造技术。

①研发了“轨式混凝土搅拌运输车”及“轮式混凝土输送泵”,开发了有轨长大陡坡斜井混凝土输送技术。

②研发了“斜井喷射混凝土专用固定式矿车”、“陡坡斜井衬砌施工用大吨位衬砌台车辅助牵引装置”及“陡坡斜井中隔墙混凝土施工台车”,开发了有轨长大陡坡斜井喷射混凝土、二次衬砌及中隔墙施工技术。

共取得6项授权发明专利,14项授权实用新型专利,4项软件著作权,8项工法,发表论文100余篇,出版专著4本,规范规程及指南4本。

经鉴定,总体达到国际先进水平,其中深埋特长隧道节能通风技术及通风井智能设置技术达到国际领先水平,对我国隧道通风节能设计、地质勘察技术、长大陡坡斜井建造技术起到重要的示范和推动作用。

成果在泥巴山隧道中应用,利用自然风节能年平均节省运营费用200万元以上,建造期及运营20年共计约节省费用1亿元以上,并推广应用到米仓山隧道和藏区公路隧道建设中,共节约费用约2.2亿元以上,社会和经济效益显著。

4·20”芦山大地震发生后,本项目依托工程雅西高速公路泥巴山隧道,经受住了大地震的严峻考验,成为震后救援黄金期人员、物资进入重灾区的“生命线”。

 

2.立项背景

雅安至泸沽段高速公路地处雅安市南部、凉山州北部,是国家高速公路网首都放射线-北京至昆明高速公路的重要组成部分。大相岭泥巴山隧道是雅泸高速公路上的控制性工程,长约10km,为上下行分离的双洞单向交通隧道。

泥巴山隧道在勘察、设计、施工及运营管理存在以下难题:

1)隧道长度特长,单洞达10007m,为目前西南地区最长的运营隧道。为保障隧道运营安全,设计通风设备装机功率达6400kw,仅电费每年就需要934.4万元,耗能巨大。目前国内外对于特长隧道的运营节能主要通过减少机械通风时间、降低服务水平来实现,急需寻找到真正解决通风节能的技术方法。

2)隧道身处气候分隔带,北湿南干,南北气候差异巨大。泥巴山属青藏高原背风坡,是川西高原向四川盆地的过渡地带,为亚热带季风性气候,是南北不同自然地理和气候的主要分界线,使得隧道内自然风速大、风向复杂。目前隧道设计均主观视自然风为阻力,极大浪费了自然资源。客观上来看,由于隧道设计规范中针对自然风没有计算方法,因此无法确定其风速大小及风向,进而无从利用。另外,由于有斜(竖)井隧道装有风机,在未开启的情况下,风道均处于关闭状态,并且因为没有可供参考使用的节能风道设计方法,使得斜(竖)井内自然风也无从利用。

3)隧道地区地形地貌复杂,300km2范围内,没有可通行车辆公路。隧道穿越山体地形复杂,沟壑交错,丛林密布,人烟稀少,在现场工作居住条件极为恶劣。为此,根据通风规模,泥巴山隧道设置了地下风机房。目前,针对地下风机房的研究主要在于功能、组成及结构的讨论,地下风机房内环境、防灾设计研究还处于空白。由于地下风机房与外界环境封闭,隧道内的污染空气和烟尘往往会扩散到风机房中产生积聚,对地下风机房的人员和设备产生影响。同时,风机房内发生灾害也会对隧道环境产生影响。由于地下结构的封闭性,发生火灾后有烟气浓度大温度高、救援困难、危害大等特点。因此地下风机房内环境控制和防灾设计是重要的,也是必要的。

4)隧道埋深特大,最大埋深1650m,且山体宽厚。山顶起伏小,埋深超过1000m的范围在隧道中线两侧宽度超过5.1km,隧道长度方向占隧道总长度51%。由此在地质勘察、斜井施工等方面带来一系列难题,如围岩级别的确定,高地应力下的岩爆、大变形控制技术,长大陡坡斜井建造技术等。我国公路工程地质勘察规范对深埋特长隧道勘察方面的内容较少,没有做系统全面的规定,现有规范远远落后于深埋特长隧道勘察实践,急需对有关规范进行修订和完善。

针对泥巴山隧道特点和难点,以建设“安全、环保、节能”的泥巴山隧道为研究目标,开展4项内容研究:

1)隧道有效利用自然风节能设计方法和控制模式研究;

2)地下风机房设计方法研究;

3)基于构造损伤分区的深埋特长隧道勘察技术研究;

4)深埋特长隧道及有轨长大陡坡斜井的建造技术研究。

 

3. 主要技术创新点(技术思路、关键技术、系统集成等方面)

雅泸高速大相岭泥巴山隧道长约10km,具有特长、大深埋、山体宽厚、地形地质复杂、气候独特几大特点,由此产生了勘察困难、工程地质问题突出、建造技术复杂、通风井深度极大、地面风机房布设和营运管理困难等一系列问题。为此,开展本项研究,并取得了四项创新性成果:

创新性成果一:建立了隧道有效利用自然风的节能模式及通风井优选方法。

①探明了特长深埋隧道自然风影响机理,建立了基于超静压差、风墙式压差和热位差三要素的隧道内自然风计算理论,提出了有效利用自然风的节能控制模式及实现方法。

②建立了特长深埋公路隧道通风井设置的智能比选模型,提出了以全寿命经济效益为目标的隧道通风井经济断面和风速优化方法,开发了高效的隧道通风设计辅助系统。

③建立了多台大功率轴流风机并联安全运行控制模式及风机布置优化方法。

创新性成果二:建立了地下风机房的设计方法。

①提出了有(无)人值守地下风机房内环境控制标准。

②建立了污染物由隧道扩散至地下风机房的计算模型,提出了地下风机房通风设计方法。

③揭示了火灾模式下地下风机房温升及烟气浓度随时间的变化规律,优化了地下风机房逃生通道布置方式,建立了地下风机房防灾设计方法。

创新性成果三:建立了基于地质构造损伤分区的深埋特长隧道勘察技术。

①提出了构造损伤概念及分区的评判标准,建立了复杂地质深埋特长隧道的地质勘察方法。

②建立了4种储水结构模型及灾害性涌水的预测方法,提出了岩爆预测的“岩石变形能潜势指标法”。

创新性成果四:开发了深埋特长隧道及有轨长大陡坡斜井的建造技术。

①研发了“轨式混凝土搅拌运输车”及“轮式混凝土输送泵”,开发了有轨长大陡坡斜井混凝土输送技术。

②研发了“斜井喷射混凝土专用固定式矿车”、“陡坡斜井衬砌施工用大吨位衬砌台车辅助牵引装置”及“陡坡斜井中隔墙混凝土施工台车”,开发了有轨长大陡坡斜井喷射混凝土、二次衬砌及中隔墙施工技术。

共取得6项授权发明专利,14项授权实用新型专利,4项软件著作权,8项工法,发表论文100余篇,出版专著4本,规范规程及指南4本。

经鉴定,总体达到国际先进水平,其中深埋特长隧道节能通风技术及通风井智能设置技术达到国际领先水平,对我国隧道通风节能设计、地质勘察技术、长大陡坡斜井建造技术起到重要的示范和推动作用。成果在泥巴山隧道中应用,建造期及运营20年共计约节省费用1亿元以上,并推广应用到米仓山隧道和藏区公路隧道建设中,共节约费用约2.2亿元以上,社会和经济效益显著

 

4.推广应用情况

本项目以西南建成最长的泥巴山隧道为依托,立足于工程建设需要,结合隧道特点进行研究,研究成果具有较强的实用性及显著的经济、社会、环境效益。

                                                                                           表1       本项目研究成果应用情况

应用工程

规模

特点

研究成果

成果应用

效益

万元

泥巴山隧道

双洞单向10km×2

西南建成最长隧道

通风井优选程序

比较了6种隧道分段通风设计方案,最终确定了最经济方案。

 

自然风节能

根据一年多的气象观测资料分析,确定了自然通风利用和节能控制模式。

4000

风机优化配置技

优化配置了泥巴山隧道轴流及射流风机

 

地下风机房环境控制及防灾技术

确定地下风机房环境标准,并给出了相应的控制办法及防灾措施

 

构造损伤分区、综合地质勘察技关键地质问题分析技术

确定了综合勘探技术方法,查明了隧道关键地质问题,并经施工验证符合实际

4700

斜井施工技术

应用了斜井施工技术,并应用了研发的施工专用设备

1535

米仓山隧道

双洞单向13.78km×2

西南在建隧道

通风井优选程序;

综合地质勘察技术;

斜井施工技术

比较了7种隧道分段通风设计方案,最终确定了最经济方案,并确定通风井经济风速为13m/s

应用了综合地质勘察技术

6477

巴朗山隧道

7940m

国内最长单洞公路隧道

自然风节能;

综合地质勘察技术

预测分析了其自然通风能力及风机配置情况。应用了综合地质勘察技术

3480

雀儿山隧道

单洞双向7048m

海拔超过4250m

综合地质勘察技术

应用了综合地质勘察技术

1645

雪山梁隧道

单洞双向7966m

黄龙景区

1880

新二朗山隧道

双洞单向

13.46km×2

 

斜井施工技术

应用了斜井施工技术,并应用了研发的施工专用设备

 

新鹧鸪山隧道

双洞单向

8.78km×2

高海拔隧道

斜井施工技术

应用了斜井施工技术,并应用了研发的施工专用设备

 

康家楼隧道

双洞单向

8.495km×2

山西在建特长隧道

综合地质勘察技术;

斜井施工技术

应用了综合地质勘察技术,应用了斜井施工技术,并应用了研发的施工专用设备

3995

凤凰岭隧道

双洞单向5.9km×2

山西已运营特长隧道

自然风节能;

综合地质勘察技术

预测分析了其自然通风能力及风机配置情况。应用了综合地质勘察技术

5173

 

随着我国新一轮特长隧道建设高潮的到来,其研究成果和经验必将应用到越来越多的特长隧道工程,具有十分广阔的应用市场和推广前景。

  
 
 
版权所有:交通科技管理中心
电话:010-58278709 传真: 010-58278723 E-mail: westjtt@126.com
地址:北京市朝阳区惠新里240号(邮编:100029)


此统计数据自2014年1月26日开始